Fotoniska kristaller bildades med tiden i antikt romerskt glas – Physics World

En distinkt skimrande patina på ett gammalt romerskt glasfragment härrör från en fotonisk kristallstruktur som bildades naturligt i materialet med tiden, säger forskare i Italien och USA. Den ovanliga kristallen innehåller omväxlande lager av kiseldioxidlager med hög och låg densitet som liknar reflektorer som kallas Bragg-stackar, och deras närvaro får fragmentets yta att glänsa som en guldspegel. Förutom att avslöja nanoskaliga egenskaper hos antikt glas, är upptäckten ett exempel på naturligt nanotillverkad komplex fotonisk arkitektur – något som kan inspirera till nya strategier för att producera olika glaskompositioner genom att artificiellt åldra dem.

Forntida glasartefakter har ofta skimrande patina som bildas gradvis genom korrosion. Denna naturliga process innebär att kiseldioxidpartiklarna i glaset upprepade gånger löses upp och faller ut igen. Patinans slutliga sammansättning och struktur beror på två faktorer: reaktioner mellan de ursprungliga beståndsdelarna i glaset och kemikalier i den vattenbelastade jorden, och vattnets pH. Dessa reaktioner omstrukturerar glaset till nanometer- till mikrontjocka lager, eller lameller, som bildas av nanopartiklar med regelbundet växlande packningsdensitet. Det är dessa lameller som ger patinan dess glans.

I sin studie, Giulia Guidetti från Tufts University's Silklab och Roberta Zanini och Giulia Franceschin vid Italienska tekniska högskolans Centre for Cultural Heritage Technology (CCHT) valde att analysera ett fragment av romerskt glas som återvunnits nära den antika staden Aquileia, som ligger cirka 100 km nordost om Venedig. Tack vare kemiska analyser erhållna med laserablationsmasspektroskopi, bekräftade de att glaset var tillverkat av kisel-soda-kalk (vilket är typiskt för glas producerat i det romerska imperiet) och daterade provet till mellan det första århundradet f.Kr. och det första århundradet e.Kr. . De använde sedan optisk mikroskopi och elektronmikroskopi för att karakterisera sammansättningen av den millimetertjocka patinan och fann att den lyser starkt och reflekterar ljus över ett brett spektrum av våglängder.

Bragg-stackar med hög reflektivitet

Forskarna säger att dessa egenskaper kommer från högar av högt ordnade nanostrukturerade domäner i patinan som individuellt beter sig som högreflekterande Bragg-stackar. Det kollektiva beteendet hos dessa domäner antyder att det ursprungligen amorfa materialet har förvandlats till välorganiserade fotoniska kristaller genom långvariga korrosionsprocesser och självmontering av kiselnanopartiklarna i glaset. I själva verket, förutom patinan, förblir huvuddelen av glaset i sin ursprungliga form och är mörkgrön till färgen.

"Det är anmärkningsvärt att en så sofistikerad nanostruktur, något som fotonikforskare och ingenjörer spenderar mycket tid och ansträngning på att tillverka i rena rum, har bildats genom att begravas i jord i tusentals år", säger Fiorenzo Omenetto, biomekanisk ingenjör och chef för Silklab. "Vetenskapligt sett kan denna korrosionsprocess vara en inspiration för ett annat tillvägagångssätt för att odla "strukturella färger" och speglar, förutsatt att glasomvandlingen avsevärt accelererades, naturligtvis."

Lever vi i glasets tidsålder?

Men framför allt lyfter han fram ”glädjen i att göra en sådan oväntad upptäckt. Det här provet glittrade bokstavligen på en hylla och väckte vår uppmärksamhet när vi gick förbi.”

Forskarna, som rapporterar sitt arbete i PNAS, arbetar nu med att identifiera andra antika glasartefakter med liknande egenskaper. "Medan iriserande patina på gammalt glas är relativt vanligt, presenterar detta speciella fragment, som karakteriseras som en fotonisk kristall, ett unikt fall," CCHT-chefen Arianna Traviglia berättar Fysikvärlden. "Vårt mål är att ytterligare studera detta fenomen och förstå de miljöförhållanden som underlättar dess förekomst."

• SEO-drivet innehåll och PR-distribution. Bli förstärkt idag.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Styrka dig själv. Tillgång här.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Kunskap förstärkt. Tillgång här.
• Platoesg. Kol, CleanTech, Energi, Miljö, Sol, Avfallshantering. Tillgång här.
• PlatoHealth. Biotech och kliniska prövningar Intelligence. Tillgång här.
• Källa: https://physicsworld.com/a/photonic-crystals-formed-over-time-in-ancient-roman-glass/